第3章电阻式传感器医学传感器ppt课件.ppt

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1、第三章电阻式传感器导论作用：将生物体的一些非电量生理参数（如位移、振动、加速度、力·······）转换为电阻的变化，进而形成相关电学参量的变化，从而得到所需的电学量。种类：金属应变片型。是用金属丝或金属箔作为敏感元件制成的片状传感器。半导体扩散型压阻传感器。是以半导体膜片上扩散成电阻的方法制成的。第一节金属应变片式传感器一、金属应变效应1.应力：——绕受力面一点；——截面取一微小面积；——上所受的力；——垂直截面的应力分量；——与截面相切的应力分量。2.应变为研究方便取受力体中任意一点取一个微小的正六面体

2、。平均应变：延x方向的应变：3.应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化FΔl、ΔA、ΔρΔR两边取对数：两边求导：式中是长度相对变化量，用金属电阻丝的轴向应变ε表示，ε数值一般很小表达式为：ΔA/A为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即：由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：●μ—电阻丝材料的泊松比；●一般金属μ=0.3~0.5，负号表示应变方向相反。整理得：整理得出金属材料的灵敏度系数因为金属材料的灵敏

3、度系数受两个因素影响：受力后因材料尺寸变化引起的，即受力后因材料的电阻率发生改变而引起的，即二、金属应变片的结构种类1.基本结构金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示:敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。2.种类金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种：丝式应变计是用电阻丝再一定的应力作用下均匀的按栅状排列在底基和覆盖层之间，应变丝的首尾用铜线或银线引出。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，厚度一般

4、在0.003-0.01mm。优点：散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状，如下图所示：薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。三、金属应变片的参数与特性1.应变片的灵敏系数数学表达式：或当金属线材做成电阻应变片后，由于形成了部件，应变片灵敏度系数与金属材料的灵敏度系数不同，是小于的，且通过特定的试验求得。2.横向效应和横向灵敏度定义：将直的电阻丝绕成

5、敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数较电阻丝的灵敏系数小，这种现象称为应变片的横向效应。应变片轴向受力及横向效应当将图2-4所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由条长度为的直线段和个半径为的半圆组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变时，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从到之间变化的应变圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化，所以值减小。当实际使用应变片的条件与其灵敏系数k的标定条件不同时，如μ≠0.285或受非

6、单向应力状态，由于横向效应的影响，实际值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算可能造成较大误差。当不能满足测量精度要求时，应进行必要的修正。横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。3.应变片的应变极限应变计的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。应变极限图如下所示:应变极限是衡量应变计

7、测量范围和过载能力的指标，通常要求。4.机械滞后机械滞后是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。5.最高工作频率应变片的最高工作频率和应变片线栅的长度有关，它反映了6.应变片电阻值绝缘电阻是指粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。通常要求绝缘电阻在以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。绝缘电阻取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。7.最大工作电流最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工

8、作特性的最大电流。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。8.零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂。温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变时，应变片电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。蠕变的方向一般与原应变量变化的方向相反。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通